基于5G通信的配电网差动保护技术探究

王一淳，李壮壮，阎 妍，王 涛

（1.国网扬州供电公司，江苏 扬州 225000；2.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

0 引言

随着分布式发电的大规模入网以及固态变压器等设备在电力系统的大量应用，传统的继电保护整定原则和成套配置面临重大挑战［1］。与发电厂的厂用发电机相比，分布式电源故障的特点因控制策略不同而发生改变，出现了故障电流降低、故障电流连续性变弱等新特点，传统的三段式电流保护不再适用。随着分布式电源的接入，配电网由以前的放射式结构向多电源环网结构转变，这使得原有的配电网保护配置成套方案不能适应新的网络拓扑结构。电流差动保护无需进行时限级差配合，解决了时限级差配合导致的上级保护延时的问题。因此，在多电源网络中，为提高系统的保护性能和可靠性，亟需采用电流差动保护技术［2］。

差动保护的通信方式包括导引线通信、微波通信、电力载波通信和光纤通道通信等。目前，基于光纤通道的通信方式设置简单，能够精准发现、隔离故障，具有较好的抗过渡电阻能力，系统的运行方式及潮流不会对其运行产生影响，因此得到广泛应用。然而，光纤差动保护也存在建设周期长、敷设成本高、使用频率低、施工难度大等缺点，这些因素制约着光纤差动保护的规模化普及与发展。

第五代移动通信技术具有许多优点，例如大带宽、多连接、低延时、高可靠性等［3-4］，它可以从源头上处理配电网保护选择性不好和可靠性差的问题，而无需新增保护设备或通信光缆，这为配电网保护信息交互提供了新的路径。5G 通信技术的高性能和灵活性能够在配电网差动保护中发挥重要作用，有效提高系统效率和可靠性。

本文概述了5G 通信承载差动保护的核心技术，在具体应用中分析5G通信应用于配电网保护的可行性，通过全面评估5G技术的网络覆盖范围、通信带宽和数据安全等，分析其在实际应用中存在的问题，从而推动配电网差动保护技术不断改进和发展。

1 差动保护对通信通道的要求

电流差动保护通过关注线路首末两端的电流变化来判别是否在保护区内发生故障，其对信息传输通道的要求较高，需要保障通道传输速率、通道安全性、通道可靠性和通道时延。结合实际情况，通道应当满足带宽超过2 Mbps、时延小于15 ms、可靠性大于或等于99.999%、安全等级为Ⅰ区等条件，才能确保差动保护的实时性、准确性和可靠性。

2 5G通信技术

2.1 5G通信技术概况

5G 通信是新型的蜂窝移动通信技术，可以带来0.1˜1 Gbps 的应用体验速度、几十吉比特每秒的峰值频率、毫秒量级的两端时延、99.999%的超高稳定性，针对不同行业对终端互联提出的各种要求，设定了三大应用场景，真正实现了“万物互联”［5］。5G 技术将为人类社会提供更高速、更安全的网络以及更多智能化应用的可能，对于社会经济和创新产业的发展都具有重要意义。

2.2 5G通信承载差动保护的核心技术

5G 通信定义了3个应用场景，其中，超可靠低时延通信（ultra-reliable low-latency communications，uRLLC）专门服务于物联网业务，将用户的上行、下行时延均控制在0.5 ms以内［6］，这与差动保护对通信的高可靠性和低时延要求基本吻合。uRLLC 能够承载配电网差动保护相关工作的核心技术包括移动边缘计算（mobile edge computing，MEC）、网络切片、独立组网（standalone，SA）等。

2.2.1 独立组网

5G New Radio 是指第五代移动通信技术的无线空中接口，也被称为新空中接口。5G Core 指的是第五代移动通信技术的核心网部分。4G 网络技术所规定的空中接口与核心网必须共同演进，而5G 网络不同，允许新空中接口与核心网分别进行演进，形成了独立组网与非独立组网两种组网方式。

从技术的实施角度进行分析，SA 是最优组网方式。SA 采用的加密算法更成熟，对用户隐私信息的保密性更强、可靠性更高。然而，考虑到节约投资，现阶段4G 网络技术在通过非独立组网方式向5G 网络技术转变，具体的网络性能还需要进一步在实践中证明，以检验其网络性能和可行性。

2.2.2 边缘计算技术

在传统的通信系统中，所有的信息都要经过核心网进行传输，而MEC 把部分用户功能放置到边缘云进行计算，减少了核心网的工作，缩短了通信时间。通俗来讲，MEC就像是计算机的内存条，用来减少CPU 的计算压力。在配电网差动保护中，可以通过下沉技术减少数据的传输距离来降低通信时延，以满足配电网差动保护的低时延要求。

2.2.3 网络切片

网络切片技术的核心是将5G网络进行切片化处理，得到多个碎片化的网络部分，包括核心网子切片、无线子切片及承载子切片，如图1所示。每个切片都可以根据不同的客户需求和业务环境进行配置，形成彼此毫无关联的逻辑网络，更好地满足各类用户的不同要求。另外，网络切片技术能够使网络资源被使用的频率大大增加，使网络运营商在建设方面所投入的资金更少。通过动态调整切片的资源分配，可以根据实时的用户需求情况来分配网络资源，避免资源的浪费。

图1 网络切片示意图

2.2.4 大规模多进多出技术和波束成形技术

大规模多进多出（multiple-in multipleout，MIMO）技术及波束成形技术是5G 移动网络中重要的技术手段，可以显著提高网络容量和频谱效率。大规模MIMO 技术利用多根天线形成天线阵列，通过同步处理和信号传输，能够在同一时间内实现更多用户的信息收发［7］。相比于4G 网络技术受到8 根天线的限制，大规模MIMO 技术能够支撑拥有大于或等于128 根天线的5G 基站，使得移动网络的容量增加几十倍，在信号传输方面实现数十倍的频谱效率和能量效率增益。

波束成形技术通过控制天线阵列中的天线发射特定方向的电磁波来实现。通过调整天线，该技术能够将所发射的电磁波变成较窄的一束，并将能量按照特定的指向传输到末端，能够增加信号的传输距离，提高信号在传输过程中的抗干扰能力。波束成形技术可利用多条天线进行超大量信息的传输，从而显著提高频谱利用率。因此，大规模MIMO 技术和波束成形技术的应用使得5G 移动网络具有更高的容量、频谱效率和能量效率，为实现更快速、更可靠的无线通信提供了有力支持。

2.3 5G通信应用于配电网保护的可行性分析

5G 通信在可靠性、时延、安全性和速率等方面能够满足配电网差动保护对通道的要求。在合理站间距的前提下，利用网络切片技术，5G 通信可以应用到配电网差动保护中，替代传统的光纤通信。

2.3.1 通道时延分析

电力系统出现的故障发展速度快，继电保护根据线路两端的运行状态来判断是否有故障发生，因此发生故障时保护要快速动作将故障切除。一般情况下，保护的动作时间应小于80 ms，信息传输的时延应小于15 ms。将5G 网络技术与4G 网络技术的性能进行对比，4G 网络技术在系统无负荷的前提下的时延大概为40 ms，不能满足保护的时延条件要求。而通过移动边缘计算技术，5G 网络技术能够实现时延小于10 ms，符合保护的时延条件要求。

2.3.2 安全性分析

为使继电保护能够可靠动作，要保证通信网络有较强的抗干扰能力，并且能够防止恶意攻击。5G通信网络作为信息传输通道，电力控制系统与网络切片在连接时需要横向隔离和纵向加密认证，对操作人员和接入设备进行授权管理，外部人员访问时需要通过密码验证才能建立通信连接，因此5G 通信网络可以保证电网运行的安全性。

3 基于5G通信的配电网差动保护的应用

3.1 配电网5G差动保护经典应用架构

5G 差动保护通过实时检测网络的信息传输情况来判断通道的信息传输速度是否符合要求、是不是有着延迟时间过长、失步丢帧、数据帧顺序错乱、误码等情况，从而确保数据交互的实时性。如果发现通信异常状态，应迅速闭锁保护装置，防止保护误动作。如果检测出线路发生故障，首先判别是区内故障还是区外故障。如果是保护区内发生故障，应立即断开相应断路器。

3.2 配电网5G差动保护推广需要解决的关键问题

在配电网保护领域应用5G 通信技术时，需要解决以下问题。

3.2.1 时延抖动问题

差动保护要求信息传输的时延较小。但是5G通信容易采集到周围环境信息，从而影响通信性能，所以存在着时延抖动问题。实验数据显示，差动保护单向平均时延达到8˜9 ms，但最大时延偶发达到90 ms以上。通过优化基站配置可以降低时延抖动，但最大时延仍然高达60 ms。因此，以后仍需对保护终端、承载网、基站等部分进行改进。

3.2.2 同步问题

差动保护同时采集线路两端的电流，但5G 网络的传输途径不固定，环境、流量等都会影响传输速度，这导致两侧数据传输到对端的时间不一致。目前采用的方法是北斗授时，为了使采集的数据传输到对端不产生时差，可以考虑使用5G 基站对终端进行无线授时，提高数据的准确性。

3.2.3 持续连接问题

配电网保护需要持续运行，并实时发送模拟量信息。如何持续满足带宽资源需求，保证5G 通信模块在任何条件下都能稳定运行，以满足配电网保护对通信的要求，是实际工程中需要解决的问题。因此，将5G 通信技术应用于配电网领域时，要进一步研究和解决这些问题，以确保可靠、稳定和安全的通信环境，为配电网保护提供有效的支持。

4 结语

本文从可靠性、时延、传输速度等角度分析了5G 通信在配电网差动保护中应用的可行性，梳理了5G 通信适用于差动保护的关键技术。分析表明，5G 通信的功能及特点完全满足配电网差动保护对通道的要求，能够代替光纤成为配电网差动保护的新型信息传输通道。目前，一些机构正在进行5G 配电网差动保护试点，总体来看依然处于初期。本文分析了5G 通信规模化应用于配电网差动保护需要突破的技术瓶颈，为下一步研究指明了方向。